PRECICE 工具介绍与使用示例

PRECICE 工具介绍与使用示例

PRECICE 简介

PRECICE (Precise Code Interaction Coupling Environment) 是一个开源的耦合库，用于实现多物理场仿真中不同求解器之间的协同仿真。它允许不同的仿真软件（如计算流体力学(CFD)和结构力学(CSM)工具）在运行时交换数据并进行耦合计算。

主要特点：

• 支持并行计算
• 提供灵活的耦合配置
• 可处理非匹配网格
• 支持显式和隐式耦合方案
• 提供多种数据映射方法

安装 PRECICE

Linux 系统安装

# 使用预编译包 (Ubuntu/Debian)
sudo apt-get install precice# 或者从源码编译
git clone https://github.com/precice/precice.git
cd precice
mkdir build && cd build
cmake -DBUILD_SHARED_LIBS=ON ..
make -j 4
sudo make install

使用示例：流体-结构相互作用 (FSI)

下面展示一个简单的流体-结构相互作用(FSI)示例，使用 PRECICE 耦合一个简化的流体求解器和一个结构求解器。

1. 创建 PRECICE 配置文件 (precice-config.xml)

<?xml version="1.0"?>
<precice-configuration><solver-interface dimensions="2"><data:vector name="Forces" /><data:vector name="Displacements" /><mesh name="FluidMesh"><use-data name="Forces" /><use-data name="Displacements" /></mesh><mesh name="StructureMesh"><use-data name="Forces" /><use-data name="Displacements" /></mesh><participant name="FluidSolver"><provide-mesh name="FluidMesh" /><receive-data name="Displacements" mesh="FluidMesh" /><write-data name="Forces" mesh="FluidMesh" /></participant><participant name="StructureSolver"><provide-mesh name="StructureMesh" /><receive-data name="Forces" mesh="StructureMesh" /><write-data name="Displacements" mesh="StructureMesh" /></participant><m2n:sockets from="FluidSolver" to="StructureSolver" /><coupling-scheme:serial-implicit><participants first="FluidSolver" second="StructureSolver" /><max-time-windows value="10" /><time-window-size value="0.1" /><relative-convergence-measure limit="1e-3" data="Displacements" mesh="StructureMesh" /><exchange data="Forces" mesh="FluidMesh" from="FluidSolver" to="StructureSolver" /><exchange data="Displacements" mesh="StructureMesh" from="StructureSolver" to="FluidSolver" /></coupling-scheme:serial-implicit></solver-interface>
</precice-configuration>

2. 简化的流体求解器示例 (Python)

import numpy as np
import precice# 设置PRECICE接口
participant_name = "FluidSolver"
config_file_name = "precice-config.xml"
solver_process_index = 0
solver_process_size = 1interface = precice.Interface(participant_name, config_file_name, solver_process_index, solver_process_size)mesh_name = "FluidMesh"
mesh_id = interface.get_mesh_id(mesh_name)# 定义网格和顶点
vertices = np.array([[0, 0], [1, 0], [1, 1], [0, 1]])  # 简单正方形网格
vertex_ids = interface.set_mesh_vertices(mesh_id, vertices)# 定义数据
displacements_id = interface.get_data_id("Displacements", mesh_id)
forces_id = interface.get_data_id("Forces", mesh_id)# 初始化PRECICE
precice_dt = interface.initialize()# 模拟时间步进
while interface.is_coupling_ongoing():# 接收来自结构求解器的位移displacements = interface.read_block_vector_data(displacements_id, vertex_ids)# 在这里进行流体计算...# 这是一个简化示例，实际应用中会有完整的流体求解器# 计算作用在结构上的力 (简化示例)forces = np.random.rand(len(vertices), 2)  # 随机力，实际应用中应计算真实力# 发送力给结构求解器interface.write_block_vector_data(forces_id, vertex_ids, forces)# 推进耦合precice_dt = interface.advance(precice_dt)# 结束耦合
interface.finalize()

3. 简化的结构求解器示例 (Python)

import numpy as np
import precice# 设置PRECICE接口
participant_name = "StructureSolver"
config_file_name = "precice-config.xml"
solver_process_index = 0
solver_process_size = 1interface = precice.Interface(participant_name, config_file_name,solver_process_index, solver_process_size)mesh_name = "StructureMesh"
mesh_id = interface.get_mesh_id(mesh_name)# 定义网格和顶点 (应与流体网格对应)
vertices = np.array([[0, 0], [1, 0], [1, 1], [0, 1]])  # 简单正方形网格
vertex_ids = interface.set_mesh_vertices(mesh_id, vertices)# 定义数据
displacements_id = interface.get_data_id("Displacements", mesh_id)
forces_id = interface.get_data_id("Forces", mesh_id)# 初始化PRECICE
precice_dt = interface.initialize()# 初始位移
displacements = np.zeros((len(vertices), 2))# 模拟时间步进
while interface.is_coupling_ongoing():# 接收来自流体求解器的力forces = interface.read_block_vector_data(forces_id, vertex_ids)# 在这里进行结构计算...# 这是一个简化示例，实际应用中会有完整的结构求解器# 计算位移 (简化示例)stiffness = 0.1displacements = forces * stiffness# 发送位移给流体求解器interface.write_block_vector_data(displacements_id, vertex_ids, displacements)# 推进耦合precice_dt = interface.advance(precice_dt)# 结束耦合
interface.finalize()

运行耦合仿真

要运行这个耦合仿真，你需要：

1. 将上述代码保存为三个文件：

   • precice-config.xml (配置文件)
   • fluid_solver.py (流体求解器)
   • structure_solver.py (结构求解器)

2. 在两个不同的终端中分别运行：

   python fluid_solver.py
   

   和

   python structure_solver.py
   

实际应用中的注意事项

1. 网格匹配：在实际应用中，流体和结构网格通常不完全匹配，PRECICE 提供了多种数据映射方法。

2. 收敛标准：隐式耦合需要设置适当的收敛标准。

3. 并行计算：PRECICE 支持并行计算，可以显著提高大规模仿真的效率。

4. 时间步长：耦合时间步长需要仔细选择以确保数值稳定性。

5. 真实求解器：实际应用中，你会用真实的 CFD 和 CSM 求解器（如 OpenFOAM、CalculiX 等）替代上述简化示例。

PRECICE 提供了与多种流行仿真工具的适配器，可以方便地集成到现有仿真工作流程中。

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使用preCICE在OpenFOAM求解器之间进行耦合计算

preCICE是一个用于分区多物理场耦合的库，可以方便地在不同求解器之间建立耦合关系。下面我将介绍如何在两个OpenFOAM求解器之间使用preCICE进行耦合计算，并提供示例代码。

基本配置步骤

1. 安装preCICE和OpenFOAM的preCICE适配器
2. 准备两个OpenFOAM案例
3. 为每个案例创建preCICE配置文件
4. 配置OpenFOAM案例以使用preCICE适配器

示例场景

假设我们有两个OpenFOAM求解器：

• 求解器A：计算流体流动（如pimpleFoam）
• 求解器B：计算热传递（如buoyantPimpleFoam）

我们希望在这两个求解器之间耦合传热（温度）和壁面热通量。

示例代码结构

1. preCICE配置文件 (precice-config.xml)

<?xml version="1.0"?>
<precice-configuration><solver-interface dimensions="3"><data:vector name="Velocity" /><data:scalar name="Temperature" /><data:scalar name="Heat-Flux" /><participant name="FluidSolver"><use-mesh name="FluidMesh" provide="yes" /><write-data name="Temperature" mesh="FluidMesh" /><read-data name="Heat-Flux" mesh="FluidMesh" /></participant><participant name="ThermalSolver"><use-mesh name="ThermalMesh" provide="yes" /><read-data name="Temperature" mesh="ThermalMesh" /><write-data name="Heat-Flux" mesh="ThermalMesh" /></participant><m2n:sockets from="FluidSolver" to="ThermalSolver" /><coupling-scheme:serial-implicit><participants first="FluidSolver" second="ThermalSolver" /><max-time-windows value="100" /><time-window-size value="0.1" /><relative-convergence-measure limit="1e-3" data="Heat-Flux" /><exchange data="Temperature" mesh="FluidMesh" from="FluidSolver" to="ThermalSolver" /><exchange data="Heat-Flux" mesh="ThermalMesh" from="ThermalSolver" to="FluidSolver" /></coupling-scheme:serial-implicit></solver-interface>
</precice-configuration>

2. OpenFOAM案例配置

对于每个OpenFOAM案例，你需要在system/目录下添加preCICE配置：

system/preciceDict (流体求解器)

preciceConfig "precice-config.xml";
participantName "FluidSolver";
modules (FF);interfaces
{interface{mesh "FluidMesh";patches (wall);writeData(Temperature);readData(Heat-Flux);}
};

system/preciceDict (热求解器)

preciceConfig "precice-config.xml";
participantName "ThermalSolver";
modules (CHT);interfaces
{interface{mesh "ThermalMesh";patches (wall);writeData(Heat-Flux);readData(Temperature);}
};

3. 修改边界条件

在流体求解器的0/T文件中：

wall
{type            preciceTemperature;preciceConfig   "precice-config.xml";participantName "FluidSolver";meshName        "FluidMesh";dataName        "Temperature";value           $internalField;
}

在热求解器的0/q文件中：

wall
{type            preciceHeatFlux;preciceConfig   "precice-config.xml";participantName "ThermalSolver";meshName        "ThermalMesh";dataName        "Heat-Flux";value           $internalField;
}

4. 运行脚本

创建一个运行两个求解器的脚本runCoupled.sh:

#!/bin/bash# 在一个终端中运行流体求解器
gnome-terminal -- bash -c "cd fluidCase && pimpleFoam -precice-participant FluidSolver; exec bash"# 在另一个终端中运行热求解器
gnome-terminal -- bash -c "cd thermalCase && buoyantPimpleFoam -precice-participant ThermalSolver; exec bash"

关键点说明

1. preCICE配置:

   • 定义了参与耦合的两个求解器
   • 指定了交换的数据类型（标量/矢量）
   • 设置了耦合方案（这里使用串行隐式）

2. OpenFOAM适配器配置:

   • 每个求解器通过preciceDict指定其在preCICE配置中的名称
   • 定义接口面和交换的数据

3. 边界条件:

   • 使用特殊的preCICE边界条件类型替换常规边界条件
   • 确保数据名称与preCICE配置中一致

注意事项

1. 确保两个案例的耦合面网格在几何上是兼容的（不一定需要节点匹配）
2. 时间步长设置应该协调，通常使用固定时间步长
3. 初始条件应该合理设置以避免数值不稳定
4. 耦合收敛标准需要根据具体问题调整

扩展

对于更复杂的耦合场景，你还可以：

• 添加更多耦合数据（如压力、位移等）
• 使用并行耦合方案
• 结合其他求解器（如结构力学求解器）
• 实现动态网格变形耦合

希望这个示例能帮助你开始使用preCICE进行OpenFOAM求解器之间的耦合计算。实际应用中可能需要根据具体问题调整配置和参数。